**营养液组成及大麦品种对白色LED光照条件下大麦幼苗叶中皂草苷（Saponarin）产量的影响研究**

《Applied Biological Chemistry》：Effect of hydroponic nutrient composition and the barley variety on saponarin production under white LED

　　

本研究探讨了营养液组成和大麦品种在低强度白色LED光照条件下对大麦幼苗叶（Young Barley Leaves, YBL）中皂草苷（Saponarin）产量的影响。研究人员在色温6500 K、光合光子通量密度（Photosynthetic Photon Flux Density, PPFD）为210 μmol m^?2 s^?1的光照条件下，评估了包括磷酸氢二钾（K₂HPO₄）、氯化钠（NaCl）和水杨酸（Salicylic Acid, SA）在内的多种处理。在不同营养液组合中，600 mg L^?1 K₂HPO₄与0.1% NaCl的处理显著提高了皂草苷浓度（12.3 g kg_dw^?1）和每株总皂草苷量（150 μg plant^?1）。此外，研究人员还考察了光强对六个大麦品种皂草苷产量的影响，高光强（500 PPFD）条件下，Keunal-bori品种的总皂草苷量（212 μg plant^?1）显著高于Hyenuri品种。而在低光强（100 PPFD）条件下，Hyenuri品种表现出最高的总皂草苷量（114 μg plant^?1）以及最高的电能效率（201 mg kWh^?1）。这些发现为在植物工厂中针对各品种优化栽培条件、在平衡能耗与代谢效率的同时实现皂草苷产量最大化提供了有价值的见解。

**研究背景与目的**

大麦幼苗叶（Young Barley Leaves, YBL）富含一种具有生物活性的黄酮苷类化合物——皂草苷（Saponarin），该物质具有抗炎和保肝等药理功效。在露天栽培条件下，YBL中皂草苷含量可达11 g kg_dw^?1（每千克干重克数）。然而，在植物工厂中，尽管采用蓝光或紫外光处理可在一定程度上诱导皂草苷积累，但同时会导致YBL生长受抑、生物量（Biomass）下降，难以达到露天栽培的水平。此前Lee等人（2024）报道，在高光强（≥500 PPFD，即光合光子通量密度）条件下，YBL中皂草苷产量可与露天栽培相媲美，但高光强处理因产热过多和能耗过高，在植物工厂商业化应用中缺乏可行性。因此，如何在低光强条件下通过优化营养液组成、活性氧（Reactive Oxygen Species, ROS）相关激素调控、皂草苷前体补充以及品种筛选等手段来降低能耗，同时维持较高的皂草苷产量，成为亟需解决的关键问题。此外，对筛选出的品种开展靶向基因表达和代谢物比较分析，有助于阐明YBL中皂草苷积累的关键生物合成步骤。

**研究内容与意义**

研究人员在白色LED光照条件下系统考察了营养液组成（氮、磷、钾、钙、镁）、植物激素（水杨酸SA和脱落酸ABA）、皂草苷生物合成前体（苯丙氨酸PA、肉桂酸CNA和香豆酸CMA）、K₂HPO₄/NaCl组合处理以及大麦品种对皂草苷产量的影响，并比较了不同光强（100、210、500 PPFD）下的电能效率。研究确定了低光强下实现皂草苷高产的优化营养方案，并揭示了不同品种在光强响应和能量效率方面的差异及其分子机制。该研究为植物工厂中皂草苷的节能高效生产提供了可操作的栽培策略和品种选择依据。

**关键技术方法**

研究人员采用水培系统在白色LED光照（6500 K和3000 K色温）下培育六个大麦（Hordeum vulgare L.）品种（Keunal-bori、Sakirang、Saknuri、Heimi、Heyang、Hyenuri），种子由国家作物科学与食品研究所提供。光强设置为100、210和500 μmol m^?2 s^?1，光周期为每天12小时，初生叶在15 cm时采收。皂草苷及其代谢物（4-香豆酸、异牡荆素Isovitexin、卢托那林Lutonarin）采用60%甲醇提取后经高效液相色谱-紫外检测器（HPLC-UVD）分析。基因表达分析采用实时定量聚合酶链反应（qRT-PCR），以GAPDH1为内参基因，检测查尔酮合酶（CHS）、查尔酮异构酶（CHI）、O-葡萄糖基转移酶（OGT）和黄酮3'-单加氧酶（F3'M）的转录水平。电能效率以每千瓦时产生的皂草苷毫克数（mg kWh^?1）计算。

**研究结果**

**（一）营养液处理与光条件对YBL中皂草苷产量的影响**

在6500 K（蓝光成分较多的白光）和3000 K色温、210 PPFD条件下，研究人员考察了不同主要营养元素（N、P、K、Ca、Mg）供给对皂草苷和生物量的影响。结果表明，6500 K光照下P/K混合处理获得了最高的皂草苷浓度（7.82 g kg_dw^?1），其次是PO₄^3?处理和N/P/K（pH 6）处理；而3000 K光照下所有处理的皂草苷浓度均低于6500 K条件下对应处理。6500 K下P/K处理的总皂草苷量最高（79.0 μg plant^?1）。各处理对生物量均无显著影响。这证实了富含蓝光的白色光（6500 K）在YBL皂草苷生物合成中具有关键作用，但上述数值仍未达到高光强或露天栽培条件下的水平。

**（二）植物激素对YBL中皂草苷的影响**

在6500 K、210 PPFD条件下，研究人员测试了两种植物激素和三种皂草苷合成前体。SA被证明是皂草苷产量的有效增强剂：10.0 mg L^?1 SA处理使皂草苷浓度达到7.5 g kg_dw^?1，总皂草苷量为74.3 μg plant^?1；而1.0 mg L^?1 SA处理的总皂草苷量最高（75.2 μg plant^?1），但差异不显著。高浓度SA（超过50 mg L^?1）则导致皂草苷水平和生物量均下降。相比之下，ABA对皂草苷积累的影响较弱。前体补充实验（苯丙氨酸、肉桂酸和香豆酸，最高250 mg L^?1）对皂草苷积累和生物量增加均未观察到显著效果。综上，低浓度SA是最大化皂草苷产量的有力手段，而ABA和前体补充在水培条件下对总皂草苷提升无显著积极作用。

**（三）K/P、NaCl和SA组合处理对YBL中皂草苷含量的影响**

基于K/P补充对皂草苷的增效作用，研究人员设计了K₂HPO₄与0.1% NaCl的组合处理。在210 PPFD条件下，200 mg L^?1 K₂HPO₄处理使皂草苷浓度升至11.5 g kg_dw^?1，总皂草苷量达107 μg plant^?1；600 mg L^?1 K₂HPO₄处理进一步提升至12.3 g kg_dw^?1和150 μg plant^?1，且生物量亦有增加。然而，当K₂HPO₄浓度升至1800 mg L^?1时，皂草苷浓度和生物量均略有下降。值得注意的是，在K/P/Na组合基础上添加SA反而降低了总皂草苷量（如1.0 mg L^?1 SA处理组为101 μg plant^?1，显著低于无SA处理的150 μg plant^?1）。因此，600 mg L^?1 K₂HPO₄配合0.1% NaCl为低光强下的最优营养方案，其皂草苷产量与露天栽培水平相当。

**（四）不同光强下大麦品种对皂草苷产量的影响**

在100 PPFD和500 PPFD条件下比较六个品种发现：高光强下Keunal-bori品种因生物量较大，总皂草苷量最高（212 μg plant^?1），且对营养补充的响应最为显著（总皂草苷增幅达84%）；Hyenuri品种则表现出最高的皂草苷浓度（14.98 g kg_dw^?1）。低光强下所有品种的皂草苷产量均有所下降，但Hyenuri品种在低光强下的皂草苷浓度（12.03 g kg_dw^?1）和总皂草苷量（114 μg plant^?1）均居首位。Keunal-bori品种的皂草苷代谢对光强变化更为敏感，而Hyenuri品种的光强敏感性相对较低。

**（五）电能消耗与皂草苷生产效率**

100、210和500 PPFD对应的每日能耗分别为1.8、3.7和7.4 kWh m^?2，至收获时总能耗分别为16.2、33.5和67.0 kWh m^?2。在100 PPFD条件下，尽管Hyenuri品种的皂草苷总量低于Keunal-bori，但其电能效率（201 mg kWh^?1）高于Keunal-bori（144 mg kWh^?1），这一优势部分归因于Hyenuri的播种密度为Keunal-bori的1.29倍。因此，Hyenuri被认为是植物工厂中更适合节能型皂草苷生产的品种。

**（六）皂草苷生物合成相关代谢物与基因表达水平比较**

研究人员比较了不同光强和品种间皂草苷相关代谢物的浓度变化。高皂草苷积累表型（高光强下Keunal-bori和低光强下Hyenuri）均伴随较高的卢托那林浓度。在营养补充条件下，两品种间卢托那林浓度差异不大，但在无营养补充的高光强条件下，Keunal-bori中卢托那林浓度为Hyenuri的2.0倍，提示营养补充可能影响F3'M表达。高光强营养补充条件下，皂草苷前体4-香豆酸和异牡荆素的浓度降低。

基因表达分析显示，高光强（500 PPFD）下K/P/Na处理后，OGT在两个品种中均上调至少两倍，而其他皂草苷相关基因无显著变化。值得注意的是，Hyenuri品种的OGT表达对高光强加营养处理更为敏感，500 PPFD下增幅达14倍。与此同时，F3'M表达在Hyenuri品种中大幅下降——F3'M1表达降至对照的1/50，F3'M2降至1/16，降幅显著大于Keunal-bori。这一差异可解释Hyenuri在营养处理下卢托那林（皂草苷的氧化代谢产物）积累变化较小的现象。因此，营养处理通过抑制F3'M表达减少皂草苷氧化降解，且这一效应在Hyenuri品种中更为显著，F3'M表达调控可能是皂草苷生产的关键控制节点。

**总结与结论**

本研究表明白色LED光照条件下，高光强和K/P/Na营养补充均可提高各品种YBL的皂草苷产量。其中，Keunal-bori品种在高光强下对营养补充的总皂草苷增量响应最为突出，而Hyenuri品种在低光强下凭借较高的光能利用效率更适合低能耗生产模式。研究结论指出：较高的光强可增强所有大麦品种YBL中皂草苷的产量和得率，K/P/Na补充亦有增效作用；Hyenuri品种在营养处理下F3'M表达的显著下调可作为筛选高皂草苷积累、低氧化降解品种的潜在分子标记。然而，F3'M调控对碳代谢、植物生长和胁迫响应的影响仍需进一步研究，此类工作将有助于培育兼具高皂草苷生产力和稳定农艺性状的大麦品种，推动植物工厂中皂草苷的商业化生产。